基于STM32单片机的单相并网逆变研究

雷新颖，常振杰，郑天良

（西安航空学院 电气学院，陕西 西安　710077）

基于STM32单片机的单相并网逆变研究

雷新颖，常振杰，郑天良

（西安航空学院 电气学院，陕西 西安710077）

采用STM32单片机对并网逆变器进行控制。为了并网逆变器运行时，输出电流与电网电压同频同相，功率因数接近1，使用滞环控制法对输出电流进行控制。实验表明通过调整给定电流的相位，可使并网输出电流与电网电压准确同步。并网输出电流曲线在最值附近比其他地方明显要粗。性能优秀的STM32单片机非常适合用在逆变器中。

STM32；并网逆变器；滞环控制法；相位

并网逆变可以把直流电变换为交流电并馈送电网，在新能源领域具有非常重要的地位，是太阳能发电、风电等设备中的关键部件。

STM32单片机是32位单片机，其运算速度快、片内资源非常丰富，价格便宜，目前非常流行。采用STM32单片机对单相并网逆变进行控制，可以提高并网逆变器的性价比。单相并网逆变常用的闭环控制方法有固定频率的SPWM法和滞环控制法。滞环控制法简单，控制效果也比较理想，这里采用滞环控制法。

逆变并网运行时，要求功率因数接近1，并且谐波尽可能小。功率因数接近1就要求馈送电网的电流与电网的电压同频同相。在滞环控制法闭环控制法中，通过IGBT的开关作用使馈送电网的电流跟随电网电压变化，输出电流在设定的上下限之间来回增减。大部分谐波可以通过交流侧的电感和电容滤除。

1　控制方案

单相逆变的主电路由逆变单相全桥、直流侧电容、交流侧电感和电网组成。如图1。逆变单相全桥是H桥，4个桥臂各由一个IGBT和与其反并联的二极管组成。通过控制单相全桥桥臂的IGBT的通断可以将电容上的直流电变换为交流侧的等效交流电，再通过电感的滤波作用滤除交流电流主要谐波。

由于需要输出的电流与电网电压同频同相，可采用负反馈使输出电流跟随电网电压。为了控制简单，且具有较好的控制性能，本系统采用滞环控制算法的实现。采用外部中断的方法得到电网电压的上升过零点，作为同步信号。根据存储的正弦表和设置电流计算设定电流的上下限。将采集到的电流值与设定电流的上下限进行滞回比较，形成控制IGBT 的4路开关量控制信号。

基于STM32单片机的单相并网逆变器系统的控制方案参考图2。并网逆变器的核心是STM32单片机，所选单片机的型号为 STM32F103RBT6，该型号单片机拥有 128KB FLASH、20KB SRAM、3个串口、2个12位ADC、4个16位定时器、51个引脚等资源。ADC不仅具有16路外部通道，而且多种工作方式，非常适合需要多路模拟信号输入的测控系统选用。因此由STM32单片机带有12位的A/D转换器的通道，将馈送电网的电流信号和设定电流信号输入单片机。定时器具有PWM输出功能，可以用于逆变器的控制中，提高控制性能。采用采用滞环控制算法时，此功能没有用到。

IGBT选用FGA25N120型号，为了防止串接的两个IGBT同时导通，把直流电短路，驱动电路具有死区保护功能，当串接的两个IGBT的控制信号同时有效电平时，实际上两个IGBT都不导通。单片机通过PC6、PC7、PC8和PC9引脚分别向4个IGBT发送控制信号。

图1　单相逆变的主电路Fig.1　Single phase inverter topology

图2　控制系统框图Fig.2　Schematic diagram of control

由于在滞回比较中，参与的比较量是电流的瞬时值，因此对输出电流的测量，需要测量电流的瞬时值。本系统选用了霍尔电流模块对输出电流进行测量。霍尔模块采用磁平衡原理工作，测量速度快、线性好，可以测量的瞬时值。模块的测量结果用电流输出，当测量正向电流结果为正时，那么测量反向电流结果为负。由于交流电的电流可正向流动，也可反向流动，模块的输出电流可正可负，为-25～25 mA。通过电阻将电流信号转换为电压信号，电压信号在进行零点调整，得到单片机可以接受的0～3 V电压信号。送入单片机ADC 第8通道对应的PB0引脚，此通道设置为规则通道。同时霍尔模块也具有隔离作用，解决了两路模拟信号输入时地电位要统一的问题。

电压取样是对直流侧电容两端的电压进行取样，输出信号送入单片机ADC第10通道对应的PC0引脚，此通道设置为注入通道。

电网电压的上升过零点是系统输出电流相位的基准点，对此点的测量必须准确、稳定。由于系统实际并网时，是通过变压器并网，所以电网的上升过零点，由相同变压器副边电压信号进行测量。为了使测量点稳定，抗干扰能力高，测量电路中必须采用滞回比较器。在单片机中，对此过零点信号的检查是通过中断系统完成的。测量点由输出方波信号的上升沿表示，输出信号送给单片机的外部中断0对应的PA0引脚。

2　软件设计

控制程序使用C语言编写。由于STM32单片机内外设很多、功能强大、寄存器非常多，为此ST公司提供了库函数，供用户编程时调用。了编程方便，本系统采用了库函数方式进行编程。主程序中，首先进行初始化，在初始化时完成对涉及到的部件的设置，包括时钟系统的设置、所使用到的引脚的设置、中断系统的设置、外部中断0的设置、定时器的设置、ADC的设置及赋变量初始值等。这些工作都采用函数的形式进行调用。

初始化后，在大循环中依次对电流信号进行数据采集、计算设置电流和滞回控制。对采集的电流数据时，进行了平均值滤波。滞回控制的误差带为设置电流最大值的±5%，随着设置电流的变化而变化。为了方便编程，滞回控制分正半周和负半周分别控制。正半周时，当馈送电网的电流小于该时刻电流值下限，使电流增加；当馈送电网的电流大于该时刻电流值上限，使电流减小；当馈送电网的电流位于上下限之间时，续流。负半周时，类似处理。这样输出电流围绕设定电流曲线上下来回升降，从而输出电流的整体走势跟随设定电流曲线的变化。

图3　流程图Fig.3　Flow diagrams

当电网电压经过上升过零点时，执行外部中断0的服务程序，服务程序中设置IGBT交流侧等效电压的相位。这样在每个周期都进行相位的调整，准确实现并网输出电流与电网电压的同步。另外，中断0的服务程序还要实现对设定电流数据采集。单片机的T2设置为定时中断，每相当1°的时间中断一次。在中断服务程序中，从正弦表中读取对应角度的正弦值。使得正弦值跟随时间而变化。

由于把滞回控制控制放在了主程序的循环中，加快了滞回控制的速度。而每相当1°时间对正弦值进行一次更新，使得正弦值的误差很小，这两点不但对提高滞回控制性能有益，而且使程序简单，可靠性提高。

3　实验结果与分析

经过实验验证，逆变器交流侧电感取2 mH比较合适。为了方便，通过变压器将滤波后的交流电馈送电网。变压器原边输入220 V交流电时，副边输出12 V交流电，功率15 W以上。单相逆变器的输出接变压器的副边，变压器的原边接220 V交流电网。逆变器的直流侧，直接接实验用直流30 V稳压电源。实验时，需要注意电网上升过零点的检测电路变压器接到电网时，方向要与并网变压器相一致。

图4（a）中波形分别为桥端输出电压波形和并网输出电流波形。可以看出桥端输出电压波形与PWM控制输出波形很相似。图4（b）中波形为并网输出电流波形和电网电压波形，由图可见两种波形同频同相，本设计的方案可以顺利实现并网逆变。

输出电流波形在正弦过零点附近，没有出现上下来回变化，可以看出这时桥端也没有输出，这正是死区控制起到了作用。

对主电路，只考虑50 Hz基波，电感L两端的电压相位超前回路中电流相位，所以逆变桥输出的等效交流电的电压相位需超前电流相位，否则输出电流相位将滞后电网电压的相位。可以通过调整给定电流的相位，对并网输出电流的相位进行调整，使并网输出电流与电网电压准确同步，功率因数接近1。

由图可见并网输出电流波形曲线在波形的最大值附近比其他地方明显要粗。这是由于主回路可以等效为RL串联电路。RL串联电路的暂态过程中，电流越大，电流的变越快；电流越小，电流的变越慢。在波形的最大值处，电流大，电流变化很快，快速来回升降，升降间隔很小，挤在一起，使得此处曲线比其他地方明显要粗很多。

图4　输出电流波形（4 ms/格）Fig.4　Waveforms of output current（4 ms/grid）

4　结　论

通过调整给定电流的相位，可使并网输出电流与电网电压准确同步，功率因数接近1；输出电流曲线在最值附近比其他地方明显要粗；性能优秀的STM32单片机非常适合用在逆变器中。

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Research of single phase grid-connected inverter based on STM32 SCM

LEI Xin-ying，CHANG Zhen-jie，ZHENG Tian-liang
（College of Electrical Engineering，Xi’an Aeronautical University，Xi’an 710077，China）

Single phase grid-connected inverter is controlled by STM32 SCM.When the inverter is connected with the Grid，in order to the frequency and the phase of the output current is as will as the Grid voltages'and the power factor is nearly 1，the output current is controlled used the hysteresis control.The result show that the accurate synchronism of the output current phase between the Grid voltage phase will appear by means of changing the phase of the set up current.The curve of the output current wave is wider obviously in the nearby maximum or minimum position than others position.It is very fit that the perfect STM32 SCM is used in the inverter.

STM32；grid-connected inverter；hysteresis control；phase

TN710

A

1674－6236（2016）01-0141-03

2015-02-10稿件编号：201502087

陕西省教育厅2014年科学研究计划资助项目（14JK1364）

雷新颖（1974—），男，陕西岐山人，硕士，讲师。研究方向：测控技术。